De quelle puissance de découpe laser un fabricant de métal a-t-il besoin ?

Sep 02, 2023

Déterminer quelle puissance de découpe laser convient le mieux aux besoins d'un atelier de fabrication de métaux dépend de quatre domaines d'une entreprise de fabrication : ses clients, ses ressources, ses capacités et ses coûts d'exploitation. Cincinnati incorporé

Note de l'éditeur:Le contenu de cet article est basé sur "Mettre toute cette puissance laser à votre service", présenté à FABTECH 2021, Chicago, par Troy Wilson, chef de produit laser et automatisation, Cincinnati Incorporated.

La course au kilowatt de découpe laser est de retour. C'est arrivé avec les machines à CO2 dans les années 1990 et 2000, et cela se reproduit maintenant avec les lasers à fibre. Il y a une place pour les systèmes à très haute puissance d'aujourd'hui, mais les puissances inférieures ont aussi leur place. Alors, quelle puissance laser convient à votre opération ?

Vous pouvez commencer par vous plonger dans l'épaisseur du matériau, la qualité et les géométries des pièces que vous coupez. Mais avant de plonger dans les mauvaises herbes, faites un zoom arrière et regardez la situation dans son ensemble. Considérez votre entreprise dans son ensemble en ce qui concerne quatre domaines : ses clients, ses ressources, ses capacités et ses coûts d'exploitation. Le premier domaine, la composition de la clientèle, détermine la direction des trois autres, mais tous les quatre peuvent influencer le type de laser à fibre qui servira le mieux votre entreprise.

La composition de la clientèle d'un atelier façonne son modèle commercial, qui, dans la fabrication métallique, relève généralement d'une ou d'une combinaison de trois domaines : fabricant d'équipement d'origine (OEM ou fabricant de gammes de produits), fabrication sous contrat et atelier de travail.

Les équipementiers développent des processus internes autour des besoins de leurs produits. L'équipement est adapté et la production est réglée et chronométrée autour d'un rythme qui produit un débit régulier et prévisible avec le moins de déchets possible. La demande de produits dicte le rythme de production.

Les fabricants sous contrat existent en une ou une combinaison de deux saveurs. Une saveur décrit les fabricants qui construisent des sous-ensembles pour une variété de clients. Ils peuvent se spécialiser dans certaines capacités centrées sur des gammes spécifiques de types de matériaux, d'épaisseurs et de précision de traitement, mais ils desservent en fin de compte un large éventail de marchés.

L'autre saveur de la fabrication en sous-traitance concentre l'ensemble de l'activité autour d'un ou d'une poignée de marchés connexes. Les fournisseurs automobiles de niveau supérieur entrent dans cette catégorie, mais de nombreuses autres entreprises le font également. Un exemple moins connu serait les sous-traitants dédiés à l'industrie des machines à sous.

Le modèle commercial final et le plus omniprésent est l'atelier de fabrication de métaux. Ce sont les couteaux suisses de l'industrie. Leurs principales préoccupations sont une réponse rapide et le raccourcissement du cycle de la commande à l'expédition.

Mesurer le temps de fabrication global, du quai de réception au quai d'expédition, est utile pour tout fabricant, mais cela peut être particulièrement critique pour l'atelier. Supposons que vous attachiez un morceau de papier à une feuille de papier brut au moment où il entre dans la porte. Le papier suit cette feuille lorsqu'elle est coupée, pliée, soudée, finie, emballée et expédiée. Moins il faut de temps pour que ce papier parvienne à l'atelier, plus l'entreprise est réactive et plus l'atelier peut être compétitif.

Imaginez maintenant le même exercice chez un équipementier. Le papier est découpé, plié et soudé, puis expédié vers un entrepôt de produits finis. Lorsque les clients achètent le produit, le produit fini quitte l'entrepôt, ce qui complète le cycle. Imaginez maintenant que l'OEM renforce sa capacité de fabrication et que la demande des clients pour le produit ne change pas. Les matériaux voyagent plus rapidement dans l'usine, puis se retrouvent dans les produits finis. Malgré cette capacité de fabrication accrue, le cycle de fabrication global n'a pas changé.

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Cela ne signifie pas que les équipementiers n'auront jamais à augmenter leur capacité de fabrication. Cependant, toute décision d'achat qu'ils prennent pour une machine de découpe laser (ou un autre équipement) est basée sur les produits qu'ils fabriquent ou pourraient fabriquer à l'avenir. Autrement dit, leurs produits génèrent des revenus, pas des capacités de fabrication.

Les sous-traitants (c'est-à-dire les sous-traitants) ne vendent pas de produits, mais ils ne vendent pas non plus de capacité de fabrication de métal pur. Ils vendent des partenariats de fabrication fiables, et les attentes qui soutiennent ces partenariats définissent la saveur du fabricant sous contrat. Certains sous-traitants peuvent évoluer pour servir un ou un groupe restreint de clients similaires, comme ce sous-traitant dédié au secteur des machines à sous. Un autre sous-traitant pourrait desservir divers marchés. Il aura quelques flux de valeur dédiés à ses plus gros clients, mais d'autres zones de l'usine pourraient gérer une grande variété de commandes répétées en fonction du type de matériau, du niveau de qualité ou d'une autre mesure.

Imaginez mesurer le temps de fabrication global dans un environnement de fabrication sous contrat. Vous attachez un morceau de papier au stock brut, qui circule ensuite dans le magasin puis est expédié au client. Alternativement, le travail pourrait rester pendant un certain temps dans l'entrepôt de produits finis du fabricant, dans lequel les clients puisent à la mode Kanban. Un client tirant du stock de produits finis déclenche le fabricant pour reconstituer le stock.

Imaginez maintenant que le sous-traitant augmente sa capacité de fabrication. Cela raccourcit le temps que le papier passe dans l'atelier et ouvre la porte aux vendeurs pour vendre les capacités de fabrication de métal de l'entreprise à d'autres clients qui (ils l'espèrent) deviendront de futurs partenaires de fabrication. L'augmentation de la capacité de fabrication pour prendre en charge une réponse rapide et fiable peut également signifier que, pour les clients existants, le sous-traitant a besoin de moins d'un stock tampon de produits finis.

Ainsi, pour le sous-traitant, l'augmentation de la capacité peut générer des revenus, mais seulement si cette capacité aide l'entreprise à servir une gamme définie de clients. Plus un client est adapté, plus il est susceptible de devenir un partenaire de fabrication.

Considérez ces types de fabricants (OEM, sous-traitants et atelier) comme trois ingrédients qui constituent la « recette » du modèle commercial d'un fabricant. Certains fabricants n'utilisent qu'un seul ingrédient; d'autres en utilisent deux ou trois. Cela est particulièrement vrai avec les ateliers de travail et les sous-traitants. Après tout, un atelier de travail prospère grandit souvent pour devenir un sous-traitant, et certains domaines de l'activité du sous-traitant (un prototype ou une cellule de transformation rapide, par exemple) peuvent toujours fonctionner comme l'atelier de travail qu'il était.

De plus, un atelier de fabrication peut développer sa propre gamme de produits, tandis qu'un OEM peut vendre une capacité de fabrication excédentaire comme un atelier de fabrication. Les deux peuvent être de bons coups, tant qu'ils sont guidés par une stratégie planifiée.

Par exemple, un magasin d'emplois peut lancer une gamme de produits pour lisser une demande très variable. Si, par exemple, un nid de découpe laser ne peut pas être rempli avec les travaux en cours, un magasin peut utiliser des pièces de remplissage pour reconstituer le stock de ses propres produits. En fait, à mesure que les machines deviennent plus productives, ce modèle hybride d'atelier de travail et de gamme de produits devient encore plus viable. Un fabricant équipé d'un laser à ultra haute puissance n'a peut-être pas à se soucier de l'atelier et des gammes de produits de l'entreprise qui se battent pour la capacité de découpe au laser, même pendant les périodes de pointe.

De même, un équipementier pourrait lancer une division d'ateliers de fabrication pour vendre sa capacité de fabrication excédentaire. Dans ce cas, cependant, le lancement de l'atelier devrait idéalement faire partie de la stratégie planifiée d'un équipementier, et pas seulement une réaction à un mauvais investissement dans la machine. L'achat d'un laser à fibre de 15 kW pourrait donner à certains équipementiers plus de capacité de découpe au laser qu'ils n'en auront jamais besoin, alors ils commencent à vendre cette capacité excédentaire. Malheureusement, l'ensemble de l'usine de fabrication est conçue pour produire une gamme restreinte de produits. L'ajout d'un travail d'atelier très variable à cet environnement pourrait introduire des inefficacités majeures.

Un fabricant dispose de cinq catégories de ressources disponibles. Le premier concerne ses installations, qui comprennent la taille du magasin, l'espace inutilisé disponible et l'efficacité avec laquelle tout l'espace est utilisé. Notez également que l'un des aspects les plus négligés ici est la manutention. Les flux de matières premières et de produits peuvent-ils être gérés avec l'équipement existant ?

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Le second est personnel. Quelles sont leurs compétences ? Comment sont-ils formés et dans quelle mesure leurs connaissances sont-elles bien documentées ? Qui va bientôt prendre sa retraite ? Avec quelle efficacité l'organisation peut-elle pourvoir les postes vacants et embaucher et développer des talents ? Quelle est leur expérience dans la découpe laser par rapport aux processus connexes comme le poinçonnage ? Quelle que soit leur puissance, les bonnes machines de découpe laser nécessitent de bonnes personnes pour les faire fonctionner.

La troisième ressource, étroitement liée à la seconde, est les heures de disponibilité. Combien de quarts de travail les gens travaillent-ils, et l'atelier peut-il ajouter plus de quarts si nécessaire ? À l'inverse, une entreprise qui augmente sa capacité pourrait-elle produire ce dont elle a besoin en un seul quart de travail et éliminer le besoin d'un deuxième quart de travail ?

La quatrième ressource est l'équipement, qui comprend la façon dont une entreprise mesure son efficacité et ses coûts de maintenance. Le cinquième implique des ressources externes. Cela inclut la relation de l'atelier avec d'autres fabricants qui pourraient gérer les travaux de débordement (affectant la façon dont une opération peut gérer les pics de demande), ainsi qu'avec des prestataires de services externes tels que les revêtements en poudre et les enduits. L'augmentation de la capacité de découpe au laser ne peut être efficace que si la majeure partie du travail doit être confiée à des prestataires de services externes qui n'ont pas la capacité de gérer le volume accru.

Considérez chacun de ces cinq domaines de ressources comme des boutons permettant de "s'adapter" aux exigences de la clientèle. Un atelier sans beaucoup d'espace mais avec de la main-d'œuvre disponible pour le dépilage et les opérations en aval pourrait investir dans une poignée de lasers à très haute puissance pour alimenter le formage, le soudage et une opération d'assemblage final qui peut s'étendre à plusieurs équipes pendant les périodes de demande de pointe. Si des quarts de travail supplémentaires ne sont pas une option, ces lasers à haute puissance pourraient avoir un sens si l'atelier dispose d'une bonne dose de travaux de découpe au laser "à plat uniquement". Avec des investissements complémentaires dans l'automatisation, les lasers pourraient fonctionner sans surveillance pendant le week-end et les pièces seraient expédiées aux clients dès le lundi matin. D'un autre côté, si la demande nécessite des ressources en aval qui ne sont tout simplement pas disponibles, le simple fait d'ajouter plus de puissance de découpe laser ne serait pas une utilisation efficace des ressources.

Néanmoins, la définition de « l'utilisation efficace des ressources » dépend de la composition de la clientèle et du modèle commercial du fabricant. Un sous-traitant qui coupe principalement du 10-ga. le matériau et le diluant peuvent faire fonctionner un laser à fibre de 15 kW le lundi matin et terminer une semaine entière de travail à l'heure du déjeuner. Ce n'est pas une utilisation très efficace des ressources, du moins pour un sous-traitant.

Alternativement, cette même situation pourrait ouvrir une grande opportunité pour un magasin d'emplois. Le succès d'un atelier dépend davantage de la capacité immédiatement disponible que de l'utilisation de la capacité. Un laser de 15 kW peut ne pas fonctionner en continu dans un atelier. Mais tant que la capacité reste disponible, c'est-à-dire que le système peut entrer en action et produire des pièces en un clin d'œil, ce laser haute puissance peut aider l'atelier à réagir rapidement. Cela augmente les flux de trésorerie et rend un atelier de travail plus compétitif en même temps.

Celles-ci incluent la chaîne d'étapes de fabrication de la commande à l'expédition - devis, ingénierie, découpage, pliage, soudage, peinture, assemblage et expédition - ainsi que la nature des pièces et des assemblages qui traversent ces étapes. Adopter une vue holistique ici aide. Comment les commandes entrent-elles dans la porte? Comment le système de planification des ressources de l'entreprise (ERP) les présente-t-il et quelles étapes se produisent pour envoyer ces commandes à l'étage ? La dernière chose qu'un fabricant souhaite est un point d'étranglement opérationnel dans le traitement des commandes et l'ingénierie, avant que les pièces n'atteignent l'opération de coupe primaire.

Les processus en aval sont également importants. Supposons qu'un fabricant améliore sa capacité de découpe laser, puis envoie des pièces en aval. Tout semble aller bien jusqu'à ce qu'ils atteignent un processus de revêtement en poudre par lots, une ressource partagée et un point d'étranglement trop fréquent. Pour vraiment augmenter le débit et tirer le meilleur parti de la découpe laser et d'autres investissements en équipement en amont, les opérations doivent résoudre les goulots d'étranglement en aval. Dans l'exemple actuel, une ligne de revêtement en poudre continue avec prétraitement pourrait être un bon investissement si elle élimine le point d'étranglement.

Même ainsi, les points d'étranglement ne doivent pas être examinés sans tenir compte de la situation dans son ensemble. C'est là que les routages de tâches et les diagrammes spaghetti entrent en jeu. Supposons qu'un sous-traitant dispose d'une zone de production principale avec cinq lasers alimentant 20 presses plieuses et 25 postes de soudage. Cela donne aux travaux plusieurs voies pour se déplacer vers la ligne d'arrivée. Dans un domaine distinct, il a un flux de valeur dédié à un client qui exige que les produits soient fabriqués et manipulés d'une certaine manière. Chaque zone a des besoins de suppression distincts. Le flux de valeur dédié au client fonctionne parfaitement avec deux centres de découpe laser de faible puissance. La ligne est équilibrée et le sous-traitant est en mesure de maintenir une livraison fiable. Augmenter la puissance de découpe laser serait un gaspillage.

Mais qu'en est-il de la principale zone de production ? Un laser à très haute puissance pourrait donner à l'opération une capacité excédentaire suffisante pour garantir que le reste de l'usine ne soit jamais privé de travail. Alternativement, l'exploitation (en tenant compte des ressources de maintenance disponibles) peut choisir de réduire le nombre de centres de découpe laser dont elle dispose de cinq à quatre.

Dans un autre scénario, investir dans une puissance laser inférieure pourrait mieux convenir à l'opération, en fonction de la gamme de produits, en particulier si l'on considère les ressources nécessaires pour démêler les feuilles. En fait, il est utile de considérer la découpe au laser et le démêlage comme un seul processus. Après tout, la découpe au laser n'est vraiment pas complète tant qu'elle n'est pas disponible et présentée aux opérations en aval.

Considérez une feuille mince imbriquée avec seulement quelques grandes pièces rectangulaires, trop grandes pour que les individus puissent les manipuler confortablement. Dans ce cas, un laser de faible puissance peut couper assez rapidement pour suivre le rythme d'un trieur de pièces automatisé. Augmenter la puissance du laser dans cet arrangement pourrait ne pas aider, car l'automatisation ne serait pas en mesure de suivre. Il en serait de même même si le magasin s'appuyait sur le dépilage manuel. Et oui, dans le cadre d'un système de fabrication flexible, ces pièces pourraient être renvoyées vers une tour de stockage, mais quelqu'un devrait éventuellement démêler ces pièces.

Un mélange de pièces différent change complètement la situation. Considérez une opération dans laquelle la majorité des nids sont constitués de pièces moyennes à petites. Dans ce cas, un laser de faible puissance pourrait prendre beaucoup de temps pour couper tous ces périmètres de pièces. Les dépileurs ont plus qu'assez de temps pour trier les pièces. Un laser ultra-puissant, cependant, peut réduire considérablement le temps de traitement, comme pour l'acier au carbone entre 0,25 et 0,5 pouce. Les trieurs manuels de pièces seront certainement occupés, et la zone peut nécessiter quelques personnes supplémentaires, mais ils ont probablement gagné ne soyez pas submergé.

C'est enfin ici que la qualité et l'épaisseur du matériau entrent enfin en jeu. Supposons que 80 % du travail d'un atelier consiste à couper du 16 ga. aluminium. Ils constatent que la différence de vitesse entre un système de 8 kW et un système de 15 kW est négligeable, alors pourquoi investir dans un système de 15 kW ?

Néanmoins, évitez de considérer la vitesse de coupe de manière isolée. Le gaz d'assistance est également important. Considérez une opération qui coupe beaucoup de 0,5 po. Acier Carbone. Traditionnellement, cela aurait été découpé au laser en utilisant de l'oxygène comme gaz d'assistance, ce qui signifiait probablement que les pièces devaient être envoyées via un processus secondaire pour éliminer la couche d'oxyde. Aujourd'hui, cependant, les lasers à haute puissance peuvent couper de telles pièces avec de l'azote pur ou même de l'air ultra-sec, produisant des ébauches avec un bord sans oxyde. Couper quelques centimètres de plus par minute, c'est bien, mais éliminer toute une opération secondaire, c'est encore mieux.

Lorsqu'il s'agit de couper des matériaux très épais, de 1 à 1,25 po, considérez le marché pour de telles pièces. Une plaque épaisse découpée au laser peut sembler extraordinairement cool sur le sol d'un salon, mais sachez que cette découpe de plaque est un créneau spécialisé. Les opérations de découpe au laser de plaques lourdes existent, mais elles réussissent en exploitant des marchés qui n'ont jamais considéré la découpe au laser comme une option. Tout d'abord, la table d'un laser doit être conçue pour manipuler des tôles aussi lourdes. Deuxièmement, l'opération sera en grande partie en concurrence avec la découpe plasma haute définition, un procédé moins coûteux et bien souvent plus adapté.

Il s'agit notamment des suspects habituels tels que les coûts des installations, l'entretien des équipements, les frais de personnel et le coût des services extérieurs. L'intégration verticale a-t-elle un sens, comme l'intégration en interne d'un revêtement en poudre ou d'autres processus précédemment externalisés ?

Des suspects moins habituels entrent également en jeu ici, y compris la consommation d'énergie. Un magasin situé dans une zone où l'électricité est chère peut avoir une stratégie d'investissement en équipement différente, en particulier lorsqu'il s'agit d'aider le gaz. Dans les zones à faible coût énergétique, les systèmes de génération d'azote peuvent avoir beaucoup de sens, mais à mesure que le coût par kilowattheure augmente, l'azote en vrac commence à sembler beaucoup plus attrayant.

Considérez un magasin à San Jose, en Californie, et un autre à Spokane, Washington. À San Jose, le coût global de l'installation par pied carré est si élevé que le magasin n'ajoute pas d'équipement ; il remplace l'équipement. Ajouter au bâtiment coûte tout simplement trop cher. L'exploitation doit extraire toute la valeur possible de chaque pied carré dont elle dispose et tirer le meilleur parti de chaque watt consommé par l'installation. Pendant ce temps, le magasin de Spokane a l'espace et peut se permettre d'ajouter quelques lasers, ce qui affectera à son tour le type de lasers le mieux adapté à l'opération.

Après avoir analysé la situation dans son ensemble (vos clients, vos ressources, vos capacités et vos coûts d'exploitation), vous êtes prêt à découvrir quel système laser convient le mieux à votre exploitation. Cela inclut non seulement le niveau de puissance, mais également le niveau d'automatisation.

Un défi, cependant, est que les modèles commerciaux évoluent, que les demandes des clients changent et que la technologie progresse plus rapidement que jamais. Le laser à fibre a donné à l'industrie un moteur massif ; maintenant, les progrès des entraînements, des servomoteurs, des têtes de coupe et des buses trouveront de nouvelles façons de tirer le meilleur parti de ce moteur.

La modularité deviendra plus importante. Les fabricants pourront non seulement ajouter des tours et de l'automatisation aux lasers existants, mais ils pourront également échanger les sources de lumière laser et non la machine entière. L'échange peut se produire en un seul quart de travail, et non sur plusieurs jours ou semaines.

Supposons qu'un fabricant doive remplacer plusieurs anciens lasers CO2. C'est encore principalement un atelier de travail, alors il choisit le laser à fibre de 10 kW à tout faire, le couteau suisse. L'exploitation s'agrandit et, pour répondre à sa capacité, elle ajoute une tour au laser de 10 kW. Au fur et à mesure que l'entreprise évolue, ses besoins changent. La boutique constate qu'elle se concentre de plus en plus sur le 10-ga. et un matériau plus fin. En fait, il faut vraiment séparer ce 10-ga. travailler à partir du reste pour répondre aux exigences de temps de cycle.

Il investit donc dans un laser à fibre de 5 kW, plus que suffisamment puissant pour traiter des nids de pièces de taille moyenne sur 10 ga., La plupart sans caractéristiques internes chronophages ni contours complexes. Le truc, c'est que le mélange de 10-ga. et les pièces plus fines sont mûres pour l'automatisation. Pendant ce temps, le laser automatisé de 10 kW, toujours le couteau suisse, est devenu plus adapté au traitement d'imbrications dynamiques pour la gamme de travaux à faible volume - la "longue traîne" de la gamme de produits de l'atelier.

Quelle est la solution ? C'est là que la modularité entre en jeu. L'automatisation est retirée du laser de 10 kW et placée sur le système de 5 kW. Le système de 5 kW gère désormais le cœur de l'atelier, les pièces commandées à plusieurs reprises. Pendant ce temps, le 10 kW devient la machine de réponse rapide du fabricant, où une commande peut être chargée, coupée, dépilée et expédiée en quelques heures.

Une telle modularité deviendra encore plus critique dans les années à venir. La technologie évoluera à mesure que les fabricants évolueront, qu'ils passeront d'un atelier de travail à un sous-traitant, qu'ils lanceront des gammes de produits, qu'ils recentreront leurs activités pour tirer parti de nouvelles opportunités. À mesure que le secteur de la fabrication de métaux de précision évolue, la découpe au laser, une technologie de base qui a façonné l'industrie moderne de la tôlerie de précision, changera avec elle.